Toprak sağlığını kontrol etmek yakında yerel bakterilere sormak kadar kolay olabilir. Besin maddeleri veya kirleticiler gibi tetikleyicilere yanıt olarak farklı renklerde parıltılar yayan bu bakterilerin verdiği cevaplar, dronlar veya uydular aracılığıyla tespit edilebilir.
Belirli koşullar karşılandığında moleküller üretmek üzere kolayca düzenlenebildikleri için, bakteriler zaten yaygın olarak sensör olarak kullanılıyor. Ancak genellikle yanıtlarını kontrol etmek için mikroskop ve zaman gerekiyor.
Bu durum yakında bir drone ile fotoğraf çekip 30 saniye bekleyerek başarılabilecek. MIT'deki araştırmacılar, bakterilerin bir hedefi tespit ettiğinde belirli ışık dalga boylarında parladığı bir sensör sistemi tasarladılar.
Sistem, temel olarak herhangi bir molekülü, kimyasalı veya bakteriyi, iyi veya kötü olsun, tespit edebilecek kadar çok yönlü görünüyor. İki farklı bakteri ekleyerek, kirleticiler toprağa yerleştiğinde tarlaların kırmızı, besin maddeleri yüksek olduğunda ise yeşil parlamasını sağlamak mümkün.
Araştırmacılar, "Yani, topraktaki metallere, radyasyona, toksinlere, besin maddelerine veya tepki vermesini istediğiniz herhangi bir şeye yanıt verebilir" diyor ve ekliyorlar: "Bunun çıktısı, uzaktan algılanabilen bu molekülün üretimi olacaktır."
Ekip, genetiği değiştirilmiş bakteriler tarafından devriye gezilen toprak örneklerini taramak için dronlara veya binalara monte edilmiş özel kameralar kullandı. Hedefi içeren örnekler, kontrol örneklerinden 12 kata kadar daha güçlü bir sinyal yayarak 90 metre (yaklaşık 295 fit) mesafeden net bir şekilde görülebiliyordu.
Parıltı çıplak gözle görülemezdi; sistem hiperspektral kameralar kullanılarak çalışıyor. Bu cihazlar, görünür ve kızılötesi ışığın yüzlerce dalga boyunu tespit edebilir ve bir görüntünün her pikselinde her birinden ne kadar bulunduğunu analiz edebilir. Bu, diğer enstrümanlar tarafından bile algılanamayacak kadar küçük renk değişikliklerini yakalayabildikleri anlamına gelir.
Ekip, hiperspektral kameralar tarafından algılanabilen 'raporlayıcı' moleküller üretmek üzere bakterileri tasarladı. En uygun adayları bulmak için 20.170 metabolitin kuantum mekanik simülasyonlarını çalıştırarak başladılar.
Araştırmacılar, çalışmalarını anlatan makalelerinde, "En iyi hiperspektral raporlayıcılar (HSR'ler), spektrumları en benzersiz olan ve üretimi için en az sayıda enzim gerektirenlerdir" diye yazıyor.
Sonunda iki umut verici aday üzerinde karar kıldılar: Morluklara yeşil bir renk verebilen biliverdin adı verilen bir pigment ve mikropların fotosentez için kullandığı bir bakteriyoklorofil. Biliverdin oluşturmak için gereken enzimler Pseudomonas putida adlı bir toprak bakterisine, Rubrivivax gelatinosus adlı bir su mikrobuna ise bakteriyoklorofil üretme yeteneği kazandırıldı.
Bu çıktılar, bakteri genomlarındaki sensör devrelerine bağlandı – bu durumda, yakında gizlenen diğer bakterileri tespit etmek için. Ancak özünde, tetikleyici kirli topraktaki kimyasallar dahil neredeyse her şey olabilir.
Araştırmacılar, "Bu teknolojinin güzel yanı, istediğiniz sensörü tak-çıkar şeklinde kullanabilmeniz" diyor ve ekliyorlar: "Herhangi bir sensörün bu teknolojiyle uyumlu olmaması için hiçbir neden yok."
Fikri test etmek için ekip, açık havaya maruz kalan kutulara toprak veya kum örnekleri yerleştirdi, bunlardan bazılarında hedefin gömülü diskleri vardı. Dronlar veya çatılardaki hiperspektral kameralar, yüzlerce veya binlerce metrekarelik alanı 30 saniyeden kısa sürede kapsayan görüntüler alabildi.
Ve gerçekten de, hedefleri içeren kutular, kontrol örneklerinin aksine güçlü bir şekilde parladı.
Araştırmacılar, bu sistemlerin güvenliği ve düzenlemelerinin hala çözülmesi gerektiğini belirtirken, yöntemin süregelen çevresel izleme için umut vaat ettiğini söylüyorlar.
Yazarlar, "Mikrobiyal nöbetçiler, saha içi sensörler olarak avantajlara sahiptir. Geniş alanlara yayılabilir, benzersiz sinyallere yanıt verebilir ve elektrik gücüne ihtiyaç duymadan kalıcı olabilirler" diye yazıyorlar.
Ayrıca, "HSR'ler gün boyunca ortam koşullarında görüntülenebilir ve açık zemin, yeşillik ve kentsel yapılar dahil olmak üzere spektral olarak karmaşık ortamlarda tanımlanabilir" diye ekliyorlar.
Araştırma, Nature Biotechnology dergisinde yayınlandı.
